虛擬工作量證明:Cellula如何模擬比特幣挖礦實現公平資產分發

自2017年ERC-20資產流行以來,Web3進入了低門檻的資產發行時代。各種項目通過IDO、ICO等方式發行代幣或NFT,但大多存在強控盤或信息不透明問題,頻繁出現RugPull現象。

時至今日,傳統IDO和ICO的公平性缺陷已充分暴露。人們一直希望有更公平可靠的資產發行協議,解決新項目TGE時的諸多問題。雖然一些創新項目提出了"公平經濟模型",但往往缺乏通用性推廣。

那麼,什麼樣的模式能實現更公平可靠的資產分發?什麼方案可以作爲通用協議?本文將介紹的Cellula爲解決這些問題提供了新視角。他們實現了一個模擬POW的資產分發層,利用虛擬工作量證明(vPOW)將資產分發過程"挖礦化",模擬比特幣實現更公平的資產分配範式。

雖然Cellula常被視爲Gamefi項目,但由於其分發的遊戲內獎勵可設置爲任意類型Token,理論上可作爲具有POW效應的資產分發平台,爲Web3資產發行帶來更廣闊前景,甚至可稱爲"致敬比特幣挖礦的社會實驗"。

POW和vPOW:結果不可預測的彩票抽獎

無論是正宗的POW、POS,還是vPOW,本質都是設置一套輸出結果難以預測的算法,通過輸出結果進行"彩票抽獎"。比特幣礦工要在本地構造滿足條件的區塊,提交給網路中的全節點通過共識,才能獲得出塊獎勵。限制條件是構造出的區塊Hash滿足特殊要求,如前綴是6個0。

由於區塊Hash生成結果難以預測,要構造符合條件的區塊,只能不斷變更輸入參數進行暴力窮舉,對礦工硬件設備要求很高。

簡言之,比特幣挖礦通過SHA-256哈希算法的不可預測性,實現了全網礦工在線參與的"彩票抽獎"系統,以電能爲代價確保了參與形式上的無許可。

此外,POW是一種更公平的資產分配方式,主流POW公鏈中項目方控盤難度比POS公鏈大很多。在很多POS公鏈或ICO、IDO方案中,項目方強控盤案例比比皆是。

如Solana幣價在FTX操縱下曾在2019-2021年暴漲近1000倍,而許多Solana驗證節點運營者是早期投資者,獲得籌碼成本接近0,嚴重破壞了資產分發公平性。雖然POW項目方也有控盤空間,但程度往往比POS輕得多。

問題在於,POW模式通常應用於底層公鏈而非DAPP的資產發行層。如果能以鏈上可實現的方案模擬POW效果,就可實現比ICO、IDO等更公平可靠的資產分發協議。搭配遊戲場景,可做出有趣的Gamefi(當然實際用途不限於遊戲,還可爲其他項目提供公平資產分發方案)。

關鍵是,如何在鏈上資產發行層模擬POW效果?Cellula通過引入著名的"康威生命遊戲"算法,爲鏈上虛擬數字實體(稱爲"BitLife")分配算力。簡言之,參與者在自己的培養皿中繁育細胞集羣,隨時間推移,誰的培養皿中存活細胞越多,折算後的挖礦算力越高,越可能獲得挖礦獎勵。

Cellula將傳統POW的哈希計算,換成了另一種結果難以預測的計算方式,替換了"Proof of Work"中的"Work"形式。在Cellula思路下,關鍵在於如何獲得存活細胞數更多的培養皿(BitLife),而推演BitLife狀態變化需耗費計算資源。本質是把比特幣挖礦執行的哈希算法變爲推演康威生命遊戲的特定算法,這被稱爲vPOW(Virtual POW)。

vPOW的核心:康威生命遊戲與BitLife

在解讀Cellula機制設計前,先了解vPOW最重要的核心—"康威生命遊戲"。它最早可追溯到馮諾依曼1950年提出的"細胞自動機"概念,數學家約翰·康威1970年正式提出"康威生命遊戲",用算法模擬自然界生命演化規律。

假設有個培養皿,按二維坐標劃分成小方格,進行"初始設置",讓活細胞佔據部分方格,此後細胞生死狀態隨時間演化,逐漸呈現形態復雜的細胞集羣。這本質是二維格子遊戲,規則簡單:

• 每個細胞有存活/死亡兩種狀態,每個細胞與周圍八個方格上的細胞互動
• 某存活細胞周圍8格內存活細胞少於2個,該細胞死亡
• 某存活細胞周圍有2-3個存活細胞,該細胞保持存活
• 某存活細胞周圍超過3個存活細胞,該細胞死亡(模擬生命數量過多爭搶資源)
• 某死亡細胞周圍有3個存活細胞,該細胞轉爲存活(模擬細胞增殖)

在二維培養皿中給定細胞狀態初始模式,按上述規則,細胞狀態會隨時間推移不斷演化迭代,產生千變萬化的結果。康威生命遊戲甚至能模擬出計算機效果。

培養皿中每個細胞的生/死對應二進制0/1,可將細胞初始狀態視爲"輸入參數",每個細胞的生死代表輸入數據,之後細胞狀態按初始模式開始演變,每輪狀態變化相當於計算過程中的一步操作,經過一段時間後得到的狀態可看作"輸出"。

只要布置適當的初始模式,康威生命遊戲能在若幹代演變後輸出特定結果。由於初始模式千變萬化,可利用其特性模擬彩票抽獎效果。可設置限制條件,每個玩家隨機選擇一批初始模式,經100代演化後,輸出結果滿足特定特徵的培養皿主人有資格獲取獎勵,這與比特幣挖礦思路類似:

"系統先限定哪類輸出結果符合要求,參與者向給定算法輸入隨機初始值,嘗試得到符合要求的輸出結果"。由於待嘗試的初始輸入參數極多,必須付出很大努力才能撞大運中獎,這正是工作量證明的邏輯:礦工必須付出一定工作量才能獲取獎勵。

理解了Cellula和康威生命遊戲的基本思想後,再看具體細節設計。Cellula將"培養皿"分爲9*9=81個方格,每個方格上的細胞有生/死兩種狀態(對應二進制0和1),這樣培養皿中細胞初始狀態有2^81種,等於1萬億的平方(基本是天文數字)。

玩家要對培養皿初始模式(輸入參數)進行選擇。BitLife充當培養皿實體(實際是NFT),包含81個方格,每個方格放置一個細胞(可能有生/死兩種狀態,空置方格等價於死細胞)。BitLife中每3*3=9個相鄰方格構成一個BitCell,每個BitLife由2-9個BitCell拼接而成(如構造的Bitlife不足9個Bitcell,有些地方被空置,默認都是死細胞)。

按排列組合,BitCell(3*3方格)有2^9種初始模式,玩家要隨機挑選不同模式的多個BitCell組合,構造出一個BitLife。簡言之,就是爲自己的培養皿隨便找個初始模式,前面講過,不同初始模式總計有2^81種,是天文數字。所以留給參與者的選擇空間極大,這與比特幣挖礦使用SHA-256場景類似。

BitLife的細胞狀態會隨區塊高度增加而變化。Cellula按不同區塊高度下BitLife的狀態分配算力。給定一個區塊高度,包含存活細胞越多的BitLife擁有的算力越高,這就相當於創造了虛擬礦機。

舉個具體例子,Cellula參與者要在鏈下窮舉BitLife的2^81種初始模式,預測每種模式演化後的狀態,然後看能否符合獎勵系統要求。假設當前區塊高度爲800,系統要求:區塊高度爲1000時,存活細胞數最多的BitLife能獲得最多獎勵,那麼參與者目標很明確:

在區塊高度800時,獲取某個模式的BitLife,該模式的BitLife在區塊高度1000時,能比其他BitLife有更多存活細胞。

這就是Cellula的核心玩法,目標是自己構造/從他人手上買到最可能獲得挖礦獎勵的BitLife,這種模式相當於允許普通散戶/高級散戶自己研發礦機,然後可以把自造礦機賣給別人,也可購買他人礦機來挖礦。自己造礦機,就要在鏈下自行推演不同模式BitLife的狀態演化,會耗費計算資源;買他人礦機,實際是買不同初始模式的Bitlife,要自行判斷這些BitLife未來的狀態變化,所以還是要在鏈下自行計算。這是整個Cellula遊戲設計中非常有趣的一點。

理解遊戲核心機制後,再看其他細節:BitLife中的活細胞可以溢出到初始99格子外,存活細胞數可遠大於99個,沒有邊界限制。如果某個BitLife包含的活躍細胞數不斷增多,其分配到的挖礦算力也會越來越高,而如果BitLife初始模式選擇不當,活細胞數越來越少,算力也會越來越低。

系統每隔5分鍾分發一定挖礦獎勵(遊戲裏稱爲能量點),根據每個BitLife在網路中的算力份額來分配。

在Cellula中,玩家合成BitLife的過程,就是"制造"新礦機的過程。BitLife實體是NFT,在鏈上mint出來後,要進行"充電"操作才能啓動挖礦,單次充電有效期爲1天、3天和7天,需支付小額手續費,到期後需繼續充電。

爲鼓勵用戶多對BitLife充電,Cellula設置了"充電抽獎"功能,每次發起充電操作時都可能被選中,獲得額外獎勵(該獎勵與挖礦獎勵獨立)。這塊設計在後面Analysoor算法部分會簡單介紹。

按Cellula官方規則,目前包含3*3個Bitcell(即包含81個小方格)的BitLife鑄造已停止,玩家們共鑄造了150多萬個此類BitLife,未來新用戶可在二級市場購買BitLife並進行充電挖礦。官方解釋限量鑄造是爲維持遊戲生態穩定,防止有科學家無限鑄造BitLife NFT導致礦機價值縮水。

未來,Cellula將引入類似礦機制造商的角色,這個角色基於許可制,要質押代幣、公示銷售渠道、具有一定社區規模和影響力等,這些制造商將負責鑄造和銷售包含4x4個BitCell的BitLife,也就是包含16*9=144個小方格。制造商可鑄造的BitLife量,將受其質押代幣量限制。

我們大致把vPOW涉及的核心概念通俗解釋了一遍。vPOW本質是基於給定規則的計算模型,參與者可通過優化策略參與競爭,以遊戲化方式進行